电子束是由电子枪阴极产生并经高压加速形成的密集高速电子流，其电子流分布与状态决定了电子束的冲击力、热传导与交换、等离子体产生等一系列物理现象和过程，直接影响电子束焊接成形质量，是电子枪、电子束电源、电子束焊接工艺优劣的重要评价参数;电子束功率密度的三维分布较好的表述了电子流的分布及其状态特征，代表了电子束品质，电子束功率密度分布的检测方法和装置是研究电子束装备、设计焊接工艺、提高焊接质量的最为有效的技术手段。但焊接电子束功率密度106～109W/cm2，测试难度高，一直是电子束加工技术研究领域的难点。　　 本文提出了一种电子束高速偏转扫描、微米级孔（线）收集不同“点”电子的功率密度分布测试方法，即电子束高速偏转扫描于新型法拉第筒传感器检测方法，实现了束流截面功率密度分布的测量，新型传感器结构有效的阻止了二次电子和背散射电子的逸出。　　 本文分析了电子束电磁偏转扫描原理，在品质测试的小角度偏转(α＜6°)条件下，电子束偏转角度与驱动偏转线圈励磁电流成线性比例关系，偏转线圈磁芯结构与材料决定了磁场的均匀性，是影响电子束偏转精度的关键因素;本文设计了4极靴、12极靴和24极靴三种线圈磁芯结构，并采用有限元方法进行了模拟仿真和优化，偏转扫描线圈中心区域磁场最低，随半径增加，磁感应强度增量百分比增大，如半径5mm处，4极靴、12极靴、24极靴结构磁感应强度增量百分比分别为1.30％、1.08％、0.92％，表明增加线圈的极靴数目可以提高磁场的均匀性。研制了铁基非晶软磁材料的24极靴偏转线圈磁芯，计算了线圈磁场分布，设计极靴安匝数为24，每个极靴上线圈匝数为12匝，偏转实验表明：线圈X方向和Y方向的偏转系数（同一高度下偏转距离与励磁电流的商）分别为0.06和0.064，实现了励磁电流直接控制偏转距离，并为后续功率密度分布信号的空间标定提供了依据。　　 本文研制了基于CPLD（复杂可编程逻辑器件）的电子束高速偏转扫描系统，该系统硬件由工控机，CPLD主控电路、D/A电路、低通滤波电路、光电隔离电路以及功率放大器组成，实现了偏转扫描模式的自主设计。CPLD电路基于块的设计方法，分为分频、波形发生和采集卡控制、UART（通用异步收发器）通信三个功能模块。系统最大偏转扫描频率达到15.6 kHz，以传感器到线圈标准距离300 mm为例，最大偏转扫描速度1980 m/s。测试结果表明：采集卡触发信号、采样信号、偏转控制波形实现了相位的同步。　　 针对电子束高速偏转扫描法拉第筒传感的微电流信号，研制了微信号传感放大和高频采集电路系统。微信号放大电路由信号切换、微信号放大和增益控制等电路组成，信号切换扩展了束流的收集方式，实现了孔收集或缝收集，微信号放大倍数可调、最大达200倍，相对误差1.59％，使5～100mA束流信号均可放大到伏级。高频采集与偏转控制电路共享外部时钟源，开发了电子束偏转控制信号采集的触发模式，实现了信号的高速采集与传输。设计研究了高速采集信号的预处理软件，具有软件滤波、数据分割、信号标定等功能，实现了与扫描信号的同步数据分割和扫描距离标定。　　 论文以联合正态分布函数作为电子束流横截面功率密度分布的基本模型，研究了电子束横截面功率密度分布的计算机多维图形技术，实现了横截面功率密度分布的立体显示，开发了等值线计算、跟踪、绘制等功能，利用OpenGL数据可视化实现了截面功率密度分布的网格、实体、投影显示方式和图形的旋转、缩放功能。在截面功率密度分布的基础上，运用Marching Cubes算法和三角面片模式对电子束空间功率密度分布进行三维重构，提出空间点的鼠标拾取方法，实现了电子束流三维重构空间任意两点距离的测量和束腰仿真。对ZD150-15A型电子束焊机电子束流进行了测试，在加速电压150kV，束流15mA，聚焦电流360mA，工作距离214mm条件下，幅值法和积分法定义的截面等效直径分别为d10=0.54mm，dP90=0.63mm，截面功率密度分布为具有旋转角度的双峰椭圆高斯分布，最大峰值分别为18541.6W/mm2、17934.2W/mm2，双椭圆中心坐标分别为(0.891，0.950，348.91)、(0.947，0.773，348.91)，双椭圆长短轴分别为(0.120，0.071)、(0.134，0.090)，旋转角度分别为0.277、0.445。